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Dispositivo de expansão


O dispositivo de expansão está instalado entre a saída do condensador e a entrada do evaporador. O refrigerante, com alta pressão e temperatura vindo do condensador, entra no dispositivo de expansão e sai dele com uma mistura de líquido e vapor de baixa pressão e baixa temperatura. Essa mistura que entra no evaporador é conhecida como "flash gas".

Independente do tipo, o dispositivo de expansão é utilizado para realizar duas importantes funções no ciclo de refrigeração:

  • permite que o refrigerante líquido entre no evaporador numa vazão compatível com a velocidade que ele evapora;
  • proporciona uma queda de pressão e temperatura, separando o lado de alta pressão do de baixa do sistema.

É essa diferença de pressão entre o lado de alta e baixa que faz com o refrigerante evapore no evaporador a uma temperatura suficientemente baixa para absorver o calor do ar ambiente e que ele condense no condensador a uma temperatura alta o suficiente para remover o calor para o ar externo

O tempo para o calor ser trocado entre o refrigerante no dispositivo de expansão e o ar externo que o circunda é tão curto que pode ser ignorado para fins práticos. Por isso podemos dizer que o dispositivo de expansão é apenas um dispositivo de queda de pressão. A mudança na temperatura do refrigerante é o resultado da queda de pressão apenas.

Como não ocorre rejeição do calor no dispositivo de expansão, apenas queda de temperatura, parte do calor sensível transforma-se em calor latente.

Tipos de dispositivos de expansão

Na prática, os dispositivos de expansão dividem-se em 2 categorias gerais: os que tem uma abertura ou orifício fixo e não ajustável e aqueles onde o orifício pode ser ajustado para acomodar a carga de refrigerante do sistema

Orifício fixo e não ajustável

Tubo Capilar

É o mais simples dos dispositivos de expansão. Trata-se de um tubo de cobre de pequeno diâmetro e comprimento fixo, normalmente com um diâmetro de 1/16 a 1/8 de polegada.

Costuma estar localizado imediatamente a frente do evaporador. Devido a sua alta resistência ao fluxo ele restringe ou regula o fluxo de refrigerante líquido desde o condensador até o evaporador. Quanto maior for o comprimento ou menor o diâmetro do tubo capilar, maior a queda de pressão gerada por ele. Costuma ter a forma de espiral para economizar espaço e para protegê-lo contra eventuais danos.

Tubo capilar, o mais simples dos dispositivos de expans?o

Se o tubo capilar tiver um comprimento grande demais ou um diâmetro pequeno demais, o evaporador terá uma subalimentação e uma quantidade excessiva de refrigerante se acumulará no condensador. O efeito combinado disso fará com que o sistema opere com uma pressão de descarga alta demais e com uma capacidade inadequada de resfriamento.

Esses mesmo sintomas ocorrem quando um tubo capilar corretamente dimensionado está parcialmente bloqueado por partículas sólidas.

Se o tubo capilar for curto demais ou seu diâmetro for grande demais, o evaporador sofrerá um excesso de alimentação. Isso pode gerar golpes de líquido no compressor e uma quantidade pequena demais de refrigerante será acumulada no condensador. O resultado combinado fará com que o sistema opere com uma pressão de descarga baixa demais e talvez, com uma pressão de sucção mais alta do que o correto. Essas condições também geram uma capacidade reduzida de resfriamento.

Por ser crítico no projeto, o tubo capilar costuma ser projetado de forma personalizada e instalado na fábrica ao invés de no campo.

Sua melhor aplicação é para sistemas split ou compactos, tais como os aparelhos janela que conhecemos.

Quando corretamente selecionado e aplicado, o tubo capilar compensa as mudanças de carga numa faixa razoável de condições operacionais. Não serve para equipamentos com grandes mudanças na carga de refrigeração. Por isso, é utilizado na maioria das vezes em equipamentos com uma capacidade de resfriamento de 3 TRs ou menos, onde as cargas de resfriamento são relativamente constantes. Os refrigeradores e os freezers residenciais, condicionadores de ar, bebedouros são exemplos que usam tubo capilar como dispositivo de expansão.

Como o tubo capilar tem um diâmetro muito pequeno, é facilmente entupido por partículas sólidas que podem circular com o refrigerante. Por essa razão é um filtro de linha costuma ser instalado antes do tubo capilar.

O tubo capilar não tem como parar o fluxo de refrigerante líquido até  o evaporador quando o sistema está desligado. Quando o compressor é desligado, as pressões dos lados de alta e baixa se equalizam circulando pelo tubo capilar aberto. Qualquer líquido deixado no condensador no momento do desligamento tende-se a acumular no evaporador, onde permanece até o compressor voltar a ser ligado. Esse refrigerante na forma líquida tem o potencial de ser puxado pelo compressor na partida, o que pode causar um golpe especialmente quando o sistema está sobrecarregado.

Em certos casos, o refrigerante líquido pode migrar até o cárter do compressor quando este é desligado. Isso gerará espuma e uma lubrificação incorreta quando o compressor voltar a ligar. Para evitar isso, um acumulador na linha de sucção é instalado às vezes em sistemas que usam um tubo capilar. O acumulador captura o refrigerante líquido e o retorna ao sistema sobre a forma de vapor. Esse é um motivo porque se deve dar atenção especial na carga de refrigerante em sistemas que utilizam tubo capilar.

Orifício calibrado

Uma alternativa ao tubo capilar é o orifício calibrado que executa a mesma função dele porém tem uma montagem mais compacta e robusta, dificultando quebras.

Em unidades que trabalham com ciclo reverso o orifício calibrado apresenta uma grande vantagem sobre o capilar pois ele pode ser feito numa válvula de retenção que permite o fluxo ao contrário com menos tubulações e peças do que as necessárias com um tubo capilar.

Tal como o tubo capilar, o orifício calibrado apresenta as 3 características a seguir:

  1. precisa ser bem selecionado para combinar com o sistema onde está instalado;
  2. requer uma carga de gás precisa;
  3. permite a migração do refrigerante do evaporador até o compressor quando o aparelho está desligado. Por isso, as mesmas precauções, acessórios recomendados e orientação sobre soluções de problemas aplicam-se aos orifícios calibrados.

Nos splits, o piston correto deve ser colocado no dispositivo de expansão quando da instalação. O piston entregue com a condensadora combina com a capacidade dela.

Um equipamento que utiliza um capilar ou orifício calibrado operará com sua eficiência máxima somente nas condições padrões para o qual foi projetado. Eles não contam com meios mecânicos para ajustar-se a mudança de carga no sistema. Em condições que não as padrões, a eficiência não será a máxima.

A realidade é que esses tipos de dispositivos de expansão operam muito bem nas condições padrões. Apenas quando as cargas se alteram rapidamente ou amplamente, ou no caso de cargas térmicas extremamente baixas é que os problemas surgem.

Uma das melhores maneiras de se evitar cargas térmicas extremamente baixas é evitar superdimensionar o sistema. Um sistema superdimensionado é forçado a passar a maior parte do tempo operando com carga baixa. Em alguns casos pode ter um golpe de líquido, danificando o compressor.

Embora um dispositivo de expansão fixo não tenha meios mecânicos para ajustar-se automaticamente as mudanças de carga no sistema, ele pode ajustar-se automaticamente ou "flutuar com a carga" da mesma maneira que compressores e evaporadores. Um equipamento normal para conforto com capacidade de 3 TRs ou menos, flutua com a carga bem o bastante para operar de maneira estável sem a necessidade de sofisticados dispositivos de controle de capacidade no compressor, condensador, dispositivo de expansão ou evaporador. O sistema ajustará automaticamente sua capacidade para cima ou para baixo para combinar resfriamento e a sua capacidade. Consultando compressores e evaporadores você entende como isso funciona. Resumidamente quando a carga fica abaixo da capacidade do sistema para compensá-la automaticamente, ele é desligado. Consulte também o tópico componentes elétricos para entender o funcionamento dos termostatos e sensores.

A razão porque a capacidade do dispositivo de expansão fixo flutua para baixo com uma carga que se reduz é:

No evaporador é produzida uma quantidade menor de vapor refrigerante, porque menos refrigerante é evaporado, já que menos calor está sendo absorvido pelo refrigerante devido a uma menor carga de resfriamento.

No entanto no compressor o mesmo volume de gás é retirado do evaporador, por unidade de tempo. Assim, no evaporador a pressão fica menor.

Com isso, no compressor a pressão de sucção cai, assim como a pressão de descarga, o que reduz a pressão e temperatura no condensador.

Em seguida, no dispositivo de expansão, menos pressão em sua entrada (pressão de condensação) gera um fluxo menor de refrigerante no dispositivo de expansão. Isso significa que uma capacidade menor de refrigeração está disponível para o sistema.

Além dessa mudança que começou no evaporador, a pressão de condensação costuma ficar menor ainda por causa das temperaturas externas menores que acompanham uma redução da carga de resfriamento. Esse fato aumenta a compensação para baixo automática do sistema.

Inversamente o contrário da explicação acima ocorre quando há um amento na carga de resfriamento.

Dispositivos de expansão ajustáveis

Existem seis tipos de dispositivos de expansão que se ajustam mecanicamente as mudanças na carga de resfriamento. Seus mecanismos são diferentes, bem como sua forma de controle, porém todos eles regulam o fluxo de refrigerante de maneira que a capacidade do evaporador combine com a carga de resfriamento. Enquanto os dispositivos de orifício fixo são mais utilizados em equipamento residenciais ou comerciais de baixa capacidade os ajustáveis são utilizados em equipamentos de grande capacidade com cargas variáveis.

Válvula de expansão de operação manual

Esse tipo de válvula mostra o modo básico com que o refrigerante é regulado em dispositivos de expansão ajustáveis. É uma válvula de agulha de operação manual. A vazão do refrigerante na válvula é determinada por 3 coisas: o tamanho do orifício ou abertura da válvula, a diferença de pressão no orifício e o percentual de abertura da válvula.

Um aumento em qualquer uma dessas coisa aumentará a vazão enquanto uma diminuição reduzirá

Para demonstrar como esse dispositivo de expansão ajusta a sua capacidade à carga de resfriamento, vamos imaginar que temos um equipamento que resfria um pequeno prédio comercial utilizando um condensador resfriado a ar. O equipamento utiliza uma válvula de expansão manual como dispositivo de expansão. Quando a carga de resfriamento no sistema é baixa (por volta de 50% da carga do equipamento), a válvula é manualmente ajustada para uma abertura de 50%. Esse ajuste permite que o refrigerante entre no evaporador com uma vazão que produz um gás levemente superaquecido na saída do evaporador.

Quando a carga de resfriamento começa a se elevar, a válvula precisa ser aberta um pouco mais, pois se isso não for feito o evaporador não será corretamente alimentado, a pressão de sucção cairá e o superaquecimento será exagerado, o que diminuirá a eficiência do sistema. No caso de diminuição da carga de resfriamento ocorre o contrário: se a válvula não é fechada um pouco mais, o evaporador será inundado com um excesso de refrigerante líquido, aumentando a pressão de sucção e a saída de líquido do evaporador. O compressor pode vir a sofrer um golpe de líquido.

A válvula de expansão manual não permite o ajuste automático para compensar as mudanças na carga de resfriamento. Precisa ser aberta ou fechada manualmente e isso representa manter um operador a postos. Por essa razão as válvulas manuais são raramente utilizadas, se é que o são, hoje em dia. No passado foram usadas em grandes equipamentos comerciais ou industriais que tinham cargas de resfriamentos estáveis e pessoas à disposição para operá-las.

Válvula boia do lado de baixa

A válvula boia do lado de baixa é um dispositivo de expansão que controla o fluxo de refrigerante através de uma boia localizada no lado de baixa pressão da válvula de controle, mantendo constante o nível de líquido no evaporador.

Com o aumento da carga de resfriamento, uma quantidade maior de líquido evapora e cai o nível de líquido no evaporador e na câmara da boia. Ao cair, a boia abre o dispositivo de expansão, que permite a entrada de mais líquido vindo do lado de alta pressão. Se a carga de resfriamento diminuir no evaporador, menos líquido evapora e o nível da boia sobe, e ela fechará o orifício de entrada.

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